孔隙液体对玻璃砂透明土强度特性影响研究

玻璃砂透明土由一种玻璃砂(或称熔融石英砂)和与之折射率相一致的孔隙液体制配而成的新型人工合成透明土,为岩土工程可视化模型试验方法提供技术支撑。开展混合油、溴化钙溶液、蔗糖溶液以及纯净水等不同孔隙液体所制配成的透明土的三轴固结排水(CD)试验,分析该新型透明土材料的应力–应变关系曲线、体积变形等力学特性以及推导其邓肯–张模型参数。试验结果表明,不同孔隙液体所制配成的透明土试样力学特性规律相似、数值上有所差异;由蔗糖溶液制配成的透明土强度最大、由混合油制配成的透明土强度最小、由溴化钙溶液制配成的透明土强度值与水样熔融石英砂的强度相对更接近。     

玻璃砂透明土与标准砂土强度特性对比三轴试验

制备了不同级配的玻璃砂透明土,对其进行了三轴固结不排水剪切试验和直接剪切试验,并与同等条件下的标准砂土试验结果进行了对比分析.结果表明：玻璃砂透明土的抗剪强度随相对密度的增大而增大;标准级配玻璃砂透明土的抗剪强度比05~10mm粒径玻璃砂透明土大;相同级配下,玻璃砂透明土与标准砂土的抗剪强度相近,可用玻璃砂透明土模拟天然砂土.     

玻璃砂透明土变形特性三轴试验研究

玻璃砂透明土是一种由玻璃砂、正十二烷和15号白油按质量比1∶4的混合液体制备而成的新型人工合成透明土;该材料具有透明度高,与天然土体相似度更好等优点,可以用于基于透明土材料的可视化模型试验。为了研究其变形特性,对不同级配的玻璃砂透明土,进行三轴固结不排水剪切试验和三轴固结排水剪切试验,并与同等条件下的福建标准砂试验结果进行对比分析;测得固结不排水剪应力-应变曲线、以及孔压应变曲线形态等工程特性。试验结果表明,随着相对密度的增加,玻璃砂的应力-应变关系从应变硬化型向应变软化型过渡,破坏时的孔压系数A_f降低,变形模量变大;与标准砂相比,玻璃砂透明土的应力-应变曲线峰值来的相对更慢一些。     

倾斜拉拔荷载下锚桩承载性能及桩周位移场可视化离心模型试验

单点系泊系统作为一种新型锚固系统获得越来越多的应用,然而倾斜拉拔荷载下单点系泊锚桩的承载性能及桩周土体变形机理尚不明确。基于人工合成透明土材料搭建了可视化离心模型试验系统,对倾斜拉拔荷载下锚桩的力学响应展开离心模型试验,探讨加载角度对锚桩承载力、失效模式和桩周土位移场的影响规律,并与1g条件下透明土模型试验结果进行定性的对比分析。研究结果表明,开展的基于透明砂土的离心模型试验,可以用于评估现场应力状态下锚桩的承载特性与失效机理、土体内部位移场;桩周土体的位移量沿深度方向差别相对较为明显,锚眼附近的土体位移相对较大;1g条件下土体位移场无法合理反映位移沿桩身方向的变化规律,极限荷载下桩侧土体的变形量小于离心模型试验中的土体变形量。     

新型透明黏土制配及其物理力学特性研究

基于人工合成透明土材料和PIV技术的可视化模型试验方法是重要的岩土工程测试手段之一,然而,目前已有透明土材料中针对模拟天然黏土的材料仍相对较少。提出以Carbopol~ Ultrez10聚合物(简称U10)、NaOH粉末和纯净水为原材料,碳纳米材料掺入作为示踪粒子制成散斑场,制配一种新型透明黏土材料的技术方案与操作方法。基于调制传递函数(MTF)方法,对新型透明黏土材料的光学透明性进行量化分析,并与已有透明土材料的光学透明性进行对比分析,验证其优越性。基于微型十字板剪切试验、压缩固结试验、渗透试验及热传导试验等室内试验方法,对新型透明黏土材料的物理力学特性进行系统研究,探讨其模拟天然黏土的可行性。研究结果表明:新型透明黏土材料的光学透明厚度可达25～40 cm,较目前已有常规透明土材料的光学透明厚度提高约2～3倍;新型材料表现为中低灵敏性黏土、强度随时间明显增加,强度、压缩固结特性与天然淤泥(尤其是海相淤泥)或泥炭土的性质相近,渗透系数为2×10~(-7)～7×10~(-7)cm/s,热传导系数为0.62～0.71 W·M~(-1)·K~(-1)。     

砂土渗透系数影响因素试验研究

砂土渗透系数的大小与土体的颗粒级配、土体干密度、土体孔隙比、土体颗粒粒径和土体矿物成分等因素相关。通过室内常水头渗透试验研究土颗粒粒径、土颗粒级配、土体干密度对砂土渗透系数的影响。采用控制变量法设计3大组试验,并对结果进行分析,确定了渗透系数随3种因素的变化关系。试验结果表明,砂土渗透系数随着颗粒粒径减小而减小,随级配增良而减小,随干密度增大而减小。     

钙质砂和石英砂压缩下的颗粒破碎与形状演化

颗粒破碎现象对土体力学性能具有显著影响。以往关于颗粒破碎的研究多关注于粒径的变化,忽视了颗粒形状的变化。为研究破碎过程中颗粒形状的演化规律,开展了钙质砂和石英砂的侧限压缩试验,对试验过程中颗粒形状参数的进行了量化研究。结果表明两种砂土的相对破碎率均随着单位体积塑性功的增加而增加,表现出明显的双曲线关系。钙质砂的长径比、球形度和圆度会随着破碎程度的增加而增加,凸度变化不明显;随破碎量的增加,石英砂颗粒的长径比和球形度先减少后增加,凸度持续减少至稳定,球形度持续增加。通过定义试样整体的形状值能很好的量化颗粒形状的变化规律。并且钙质砂整体形状值与相对破碎率满足双曲线关系,石英砂则为抛物线关系。     

砂性土的蠕变性质影响试验研究

采用改进的直剪蠕变仪,在相同试验条件下分别测试了不同粒径和含水率的砂试样。试验结果表明：砂性土也具有一定的蠕变性质,其变形随时间的增加而增加,经过一段时间后才能达到稳定,且随砂土颗粒粒径的不同而不同,其中天然砂、粗砂的蠕变现象较其它颗粒的砂明显,同时含水率对砂土的蠕变特性影响不大。试验结果有助于进一步认识砂性土蠕变的特性及其影响因素。     

风致土-结构动力相互作用模型探讨

相比于实际建筑,风洞试验模型尺寸较小,已有的介入试验方法,对有土体参与的风洞试验模型结果影响较大。因此,有土体参与的风洞试验未见报道。人工合成透明土试验方法为风致土-结构动力相互作用模型试验提供了新思路。可利用透明土,构造无损可视化动态风致土-结构试验模型,研究风致土-结构动态反应规律,直接观察风致结构、桩体及土体内部运动过程,理清风致地基-基础-结构整体响应规律及机理。     

考虑密度影响的砂土静止土压力系数研究

静止土压力系数是支挡结构设计与分析中非常重要的参数,其值决定了作用于结构上初始水平土压力的大小。以福建标准砂为研究对象,开展均质砂土地基离心模型试验,研究砂土静止土压力系数随初始相对密度的变化规律;进行砂土在不同初始相对密度下的三轴固结排水试验,获得砂土峰值强度随初始相对密度的变化规律;综合离心模型试验和三轴试验结果提出可反应砂土静止土压力系数-峰值摩擦角关系的"南水公式",即K_0=sinφ'-0.16。为了验证南水公式的正确性,提出可描述砂土细观受力特征的颗粒微结构概化模型,通过推导得到砂土静止土压力系数与其微结构颗粒接触角及摩擦偏移角之间的关系,初步探讨初始相对密度对砂土内部传力机制的影响,指出随着砂土相对密度的增加颗粒微结构存在由高阶环状单元结构向低阶稳定单元结构转化的可能,而低阶稳定单元结构的双重支撑作用将促进颗粒竖向应力向侧向的传递。研究成果对完善砂土土压力理论具有一定的参考价值。     

基于透明土的管桩贯入特性模型试验研究

由于受土塞效应等因素影响,开口管桩和闭口管桩在贯入过程中的挤土效应存在明显的差异;然而针对该两者贯入特性的研究相对较少。基于透明土和PIV（Particle Image Velocimetry）技术,开发了相应的桩基贯入模型试验系统,用于桩基贯入过程中桩周土体变形的非插入式测量。试验选用的透明土由玻璃砂和具有相同折射率的孔隙液体制成。该试验系统主要包括：线性激光光源、CCD（Charge-Coupled Device）相机、自动沉桩加载仪和计算机控制系统等。激光射入透明土,和透明土之间的相互作用产生了独特的散斑场,通过CCD相机摄取贯入过程中各个时刻散斑场变形的图片,然后通过PIV技术对这些变形前后的图片进行处理,即可得到整个土体位移场。分别进行了开口管桩和闭口管桩的桩基贯入试验,得到了对应的土体位移场,并对桩基贯入引起的桩周土体径向位移试验结果与圆孔扩张法、应变路径法等理论计算结果进行对比分析;研究结果表明,对于闭口管桩,由于竖向位移的影响,试验值比圆孔扩张法结果小,其与应变路径法更为接近;对于开口管桩,由于沉桩过程中土塞作用,试验值比圆孔扩张法大,其影响不可忽略。     

One-dimensional dynamic compressive behavior of dry calcareous sand at high strain rates

Calcareous sand has distinct characteristics in comparison with silica sand, such as dynamic behavior at high strain rates (HSRs). This is closely related to pile driving, aircraft wheel loading and mining activities. To understand the response of calcareous sand at HSRs, a series of dynamic tests is performed using the split Hopkinson pressure bar (SHPB) with steel sleeve, including 6 validation tests of bar-against-bar and 16 comparative tests relevant to the relative density and strain rate of calcareous and silica sands. The apparent dynamic stiffness of calcareous sand is approximately 10% of that for silica sand due to different particle shapes and mineral compositions. The axial stress-strain response of silica sand is mainly governed by the deformation of individual grain and soil skeleton, and particle crushing. However, porous calcareous sand shows yielding and strain-hardening responses that are always followed by particle crushing. As the applied loading increases, the particle crushing of calcareous sand develops from local instability to whole breakage. Calcareous sand has lower viscous flow effects compared with silica sand at HSRs.     

Liquefaction of Unsaturated Sand Considering the Pore Air Pressure and Volume Compressibility of the Soil Particle Skeleton

A series of cyclic triaxial tests of unsaturated soils was conducted to get a better understanding of the general liquefaction state of unsaturated soils. In the tests, cyclic shear strain was applied to fine clean sand with the same dry density but different initial suction states under the undrained condition. During cyclic shear, the volume change of the soil particle skeleton, the pore air pressure and the pore water pressure were measured continuously. Having used the effective stress defined by Bishop (Bishop et al., 1963), where the net stress and suction contribute to the effective stress, our test results showed that unsaturated sand specimens with quite a low degree of saturation lose their effective stress due to cyclic shear. At a zero effective stress state, unsaturated specimens behaved similarly to liquids in much the same way as saturated specimens. From experimental and theoretical considerations, the zero effective stress state (i.e., liquefaction) for unsaturated sand was found to have been established when both the pore air and water pressures build up to the point where it is equal to the initial total pressure. A volume change of pore air under the undrained condition, if a volume change of pore water is negligible, is equal to that of the soil particle skeleton. Therefore, it can be concluded that the liquefaction of unsaturated soil generally depends on the volume compressibility of the soil particle skeleton and the degree of saturation. On the other hand, according to the ideal gas equation of Boyle-Charles law, the volume change required to bring about a zero effective stress state can be calculated from the initial pore air pressure (usually the atmospheric pressure) and the final pore air pressure (the initial confining pressure). Therefore, the liquefaction of unsaturated soils also depends on the initial confining pressure. Based on this concept, the liquefaction potential of unsaturated soil can be evaluated by comparing the volume compressibility of the soil particle skeleton and the volume change of the pore air required to bring about a zero effective stress state.     

基于透明土技术的多孔介质孔隙流动特性研究

土体作为一种特殊多孔介质,内部孔隙通道尺度与形态随机性强,导致土体渗流场中孔隙流速分布不均,即存在优势流现象。优势流是影响污染物运移、导致土体渗透变形的重要因素。基于透明土原理,利用聚丙烯酸钠交联聚合物颗粒和蒸馏水,配制成饱和透明多孔介质,并利用一种新的研究透明多孔介质内部流场的装置及方法,将绿色光源激光器、单反相机、十字滑台等组合成简易粒子图像测速(PIV)系统,采集不同水力梯度下透明多孔介质内部流场图像,结合粒子图像测速技术,将得到的流速数据进行统计分析,揭示孔隙液体的流动特性。研究表明,利用自制简易PIV系统进行流场测量,实测孔隙流动结果与宏观流速吻合程度高,能够实现对流场的多点、无扰、高精度测量。研究发现多孔介质内部纵断面上的孔隙面积与纵断面所在位置有关,而孔隙面积越大,断面上的孔隙流速也越大。多孔介质内部孔隙流速分布规律大致相同,优势流速随着断面流速的减小而减小,优势流速越小,其概率密度越高,优势流动现象越显著。     

不同固结压力下重塑土微孔隙特征变化的试验与分析

土体的微结构对土的工程力学特性具有关键性影响,采用压汞试验方法对重塑土轴向固结过程中不同固结压力水平下的土样进行了试验。试验结果表明:重塑土中介于1000～10000 nm范围的中孔隙所占比例最大,而微孔隙和超微孔隙所占比例均很小;固结压力改变重塑土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变了土体的压缩性。     

初始静孔隙水压力对砂土静动力剪切特性影响的试验研究

选取福建标准砂和滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪开展了一系列不同初始静孔隙水压力条件下的不排水循环扭剪试验和单调扭剪试验,着重探讨初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力发展及其不排水抗剪强度的影响。试验结果表明:初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力的发展产生显著的影响,从而影响砂土的静动力剪切特性。具体地,在不排水循环剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,其超静孔隙水压力发展和变形发展越快;在不排水单调剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,在砂土剪胀阶段产生负超静孔隙水压力越大,从而使砂土的强度显著提高。基于试验结果,初步探讨了初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力及静动力剪切特性的影响机理。研究表明,研究地下水位以下土体(准饱和土)静动力剪切特性尤其是研究液化问题时,应充分考虑初始静孔隙水压力对砂土抗液化强度的影响,室内试验应根据砂土所处的地下水位深度来决定初始静孔隙水压力(反压)的大小。     

干燥及饱和橡胶砂压缩和剪切特性

将废弃轮胎作为建筑材料应用在土木工程领域是对其回收处理最有前景的方法之一。为了研究轮胎橡胶颗粒改良砂土的效果,选取橡胶颗粒与福建砂的混合土为研究对象,研究了橡胶砂的压缩和抗剪特性,分析了橡胶含量与干湿状态对橡胶砂力学特性的影响,并建立了双曲线模型预测橡胶砂受剪过程的剪应力与剪切位移关系。结果表明：橡胶砂的压缩变形随橡胶含量增大而增大,饱和橡胶砂的压缩变形明显大于干燥橡胶砂;橡胶砂的剪应力剪切位移曲线表现出应变硬化特征;橡胶砂的抗剪强度与橡胶含量的关系不大;干燥试样内摩擦角随着橡胶含量的增大而降低,饱和试样的内摩擦角随着橡胶含量的增大而轻微升高;通过双曲线模型预测的剪应力剪切位移关系曲线与试验结果吻合。     

循环加载频率对砂土液化模式的影响试验研究

为了研究循环加载频率对饱和砂土的液化特性的影响,针对密实度为35%、50%、70%的福建标准砂进行了振动频率为0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz的循环扭剪试验,并对密实度为50%的珊瑚砂和细砂进行了振动频率为0.1Hz和1Hz的循环扭剪试验。结果表明：无论是松砂还是密砂,其剪胀剪缩特性与加载频率密切相关,在低频荷载作用下表现出显著的剪胀特性,达到初始液化后孔隙水压力波动,土体仍具有抵抗液化能力,呈现“硬化型”液化模式;在高频荷载作用下表现出显著的剪缩特性,达到初始液化后孔隙水压力保持稳定,循环液化模式呈现“软化”特征,珊瑚砂和细砂的孔隙水压力特征和液化模式也同样受加载频率的影响,说明循环加载频率显著影响饱和砂土的剪胀剪缩特性,进而影响液化模式;液化阶段产生的流滑变形大小与加载频率密切相关,低频荷载作用下所产生的流滑变形显著大于高频荷载作用下的流滑变形。